高温热轧金属带材如何实现微米级厚度偏差的非接触式实时监测？【冶金工业】【质量控制】

1. 金属带材的基本结构与技术要求

想象一下，我们日常生活中看到的各种金属制品，比如汽车车身、饮料罐、家电外壳等等，它们很多都是由扁平、细长的金属带材经过一系列加工而成的。这些金属带材就像是工业生产中的“面条”，从大型轧机中源源不断地生产出来。

基本结构： 金属带材，顾名思义，就是截面呈矩形、宽度远大于厚度的连续或卷状金属材料。它通常在高温下通过热轧，或在常温下通过冷轧等工艺进行生产，以达到所需的尺寸、形状和力学性能。

技术要求： 在金属带材的生产过程中，对质量的要求极其严格。其中，厚度是最核心的参数之一。为什么厚度如此重要？

• 产品性能： 带材的厚度直接决定了最终产品的强度、刚度和耐久性。比如，汽车钢板厚度偏差过大，可能会影响车辆的碰撞安全性能；电池外壳的厚度不均，则可能导致电池漏液或寿命缩短。

• 后续加工： 如果带材厚度不均匀，会导致后续冲压、弯曲、焊接等工序出现问题，比如废品率升高、模具磨损加剧、产品装配困难等。

• 成本控制： 厚度过厚会造成材料浪费，增加生产成本；厚度过薄则可能达不到强度要求，影响产品可靠性。

• 市场竞争力： 高精度、高一致性的产品才能在市场中脱颖而出。

在高炉、轧机等高温环境中生产金属带材时，其厚度控制面临巨大挑战。高温会导致金属带材发生热膨胀，表面可能产生氧化皮，还会伴随振动和烟尘等干扰。因此，如何在这些恶劣条件下，实现对金属带材厚度的非接触式、精准测量，是确保产品质量符合标准的关键所在。

2. 针对金属带材的相关技术标准简介

为了确保金属带材的质量和性能，行业内制定了一系列技术标准来规范其生产和检测。这些标准并非仅仅指定一个厚度值，而是从多个维度对带材进行全面评价。

• 厚度及其偏差： 这是最核心的参数。厚度定义为带材垂直于其表面两点之间的距离。在实际测量中，我们不仅关注其平均厚度是否达到目标值，更重要的是关注其厚度偏差，即实际厚度与目标厚度之间的差异。评价方法通常包括测量带材沿长度和宽度方向的多个点，计算其最大、最小厚度，以及与标称厚度之间的百分比偏差或绝对偏差。例如，如果要求厚度为1mm，允许偏差为±0.05mm，那么任何一点的实际厚度都必须在0.95mm到1.05mm之间。

• 宽度及其偏差： 宽度指带材在垂直于轧制方向上的尺寸。与厚度类似，宽度偏差也是重要的监测参数，它影响后续的切割和冲压等工序。

• 板形与平直度： 板形描述的是带材表面是否平坦，是否存在波浪、翘曲等缺陷。平直度则是衡量带材边缘或整体是否笔直。这些参数对后续加工和最终产品美观度至关重要。评价方法通常通过检测带材表面的轮廓或边缘的直线度来判断。

• 表面质量： 涉及带材表面是否有划痕、压痕、氧化皮、裂纹等肉眼可见或仪器可检测的缺陷。这些缺陷会直接影响产品的外观和使用寿命。

• 力学性能： 包括抗拉强度、屈服强度、延伸率等，反映材料抵抗变形和断裂的能力。这些通常通过取样进行破坏性测试来评价。

对这些参数的精确监测和评价，是确保金属带材产品质量，满足客户需求和应用场景的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

在高温环境下对高速运行的金属带材进行厚度测量，需要非接触式、高精度、高响应速度的测量技术。目前市面上有很多成熟的解决方案，它们基于不同的物理原理，各有利弊。

（1）市面上各种相关技术方案

a. 激光三角测量原理

工作原理与物理基础： 激光三角测量，顾名思义，是利用激光束和三角几何原理来测量物体距离的一种技术。它的工作方式可以这样理解：传感器内部有一个激光发射器，它会向被测金属带材表面投射一个可见的激光点。当激光点照射到带材表面时，会形成一个反射点。这个反射光会通过传感器内部的一个接收光学系统（比如镜头），然后聚焦到感光元件（如CCD或CMOS线阵传感器）上。

当被测带材的距离发生变化时，由于激光发射器、接收光学系统和感光元件之间的固定几何角度，反射光点在感光元件上的位置会发生相应偏移。这就形成了一个动态的三角形。传感器通过精确检测光点在感光元件上的位置变化，再结合预设的传感器内部几何参数（如基线长度、焦距、角度等），利用三角函数关系就能计算出传感器到被测物体表面的精确距离。

对于厚度测量，通常会采用双探头对射的方式。即在金属带材的上方和下方各安装一个激光位移传感器，它们同步测量各自到带材表面的距离。假设两个传感器之间的固定距离为 L_总，上方传感器测得的距离为 D1，下方传感器测得的距离为 D2，那么金属带材的厚度 T 就可以通过简单的公式计算得到：

T = L_总 - D1 - D2

这个原理就像我们用两把尺子，分别从一个盒子顶部和底部测量到盒子表面的距离，然后用两把尺子总长减去这两个距离，就是盒子的厚度。

核心性能参数：* 测量范围： 通常从几毫米到几米不等，具体取决于传感器型号。* 分辨率： 好的系统分辨率可以达到0.01mm。* 线性度： 优异的传感器可以达到满量程的±0.03%或更高。* 响应时间： 更新频率通常可达1kHz甚至更高，实现实时测量。* 适用场景： 适用于各种材料的位移、厚度、高度、平面度等测量。对高温目标有特殊版本支持。* 局限性： 测量精度可能受被测物表面特性（如光泽度、粗糙度、颜色）和倾斜角度影响。在极端高温下，金属带材发出的黑体辐射可能干扰激光接收，需要特殊滤波和冷却技术。* 成本考量： 中等偏高，但性能和功能相对全面，性价比高。

b. X射线透射原理

工作原理与物理基础： X射线透射原理有点像医院里给病人拍X光片。传感器的一侧有一个X射线源，它会发射出高能量的X射线束。这些X射线会穿透正在高速运行的金属带材。在带材的另一侧，有一个X射线探测器负责接收穿透过来的X射线。

当X射线穿透材料时，其强度会因为材料的厚度、密度和组成而发生衰减。材料越厚，或者密度越大、原子序数越高，X射线被吸收和散射的就越多，透射过去的强度就越弱。物理上，X射线的衰减遵循朗伯-比尔定律的变种：

I = I_0 * e^(-μρt)

其中，I_0 是入射X射线强度，I 是透射X射线强度，μ 是材料的质量吸收系数（与材料成分和X射线能量相关），ρ 是材料密度，t 是材料厚度。

通过测量透射后的X射线强度 I，并与未穿透材料时的原始强度 I_0 进行比较，系统就可以精确地计算出材料的厚度 t。整个过程是非接触式的，且X射线具有很强的穿透力，特别适合测量金属材料。

核心性能参数：* 测量范围： 通常为几微米到几十毫米，取决于X射线能量和材料类型。* 测量精度： 可达±0.1%或更好。* 响应时间： 扫描速度快，可实现实时在线测量。* 适用场景： 广泛应用于钢铁、有色金属、薄膜、涂层等多种材料的厚度测量，尤其在高温、多尘等恶劣工业环境下表现稳定可靠。* 局限性： X射线设备成本高昂，且需要严格的辐射防护措施，操作和维护需要专业人员。不适用于测量透明或对X射线吸收很弱的材料。* 成本考量： 初始投资和运营成本较高。

c. 光谱共焦原理

工作原理与物理基础： 光谱共焦测量原理是一种非常精密的非接触式测量方法，它可以克服激光三角测量在某些高反射或透明材料上的局限。它的核心思想是利用白光的光谱分散特性。

想象一下，一道白光（包含多种颜色的光）通过一个特殊的镜头，这个镜头会把不同颜色的光聚焦在不同的深度位置。也就是说，红光可能聚焦在离镜头最近的地方，蓝光聚焦在最远的地方，其他颜色的光则依次聚焦在中间的不同深度。当这束光照射到被测金属带材表面时，只有恰好聚焦在带材表面的那个波长的光才能被最强烈地反射回来，并通过接收系统上的一个小孔（共焦孔）到达光谱仪。

光谱仪的作用就像一个“颜色分析器”，它能精确识别是哪个波长的光被反射回来了。由于不同波长的光对应不同的聚焦深度，一旦知道了反射光的波长，我们就能准确地推算出传感器到被测物体的距离。

当用于厚度测量时，同样是采用双探头对射或单探头对准透明/半透明材料上下表面进行测量（对于金属带材，一般仍是双探头对射）。

核心性能参数：* 测量范围： 通常较小，从0.2毫米到几十毫米，适合精密薄板测量。* 分辨率： 极高，可达纳米级。* 线性度： 优异，如±0.03% FSO。* 适用场景： 适用于极高精度测量，可测量透明、半透明、高反射（如镜面金属）、漫反射等各种表面，且不易受被测物表面倾斜度影响。常用于精密薄膜、玻璃、半导体材料的在线检测。* 局限性： 测量范围相对较小，对传感器与被测物的距离控制要求高。受环境光影响较小，但对于高速移动的带材，可能需要更高的采样频率。* 成本考量： 属于高端测量技术，成本较高。

d. 激光扫描原理

工作原理与物理基础： 激光扫描原理与激光三角测量有所不同，它更侧重于通过激光束的快速扫描来获取物体的轮廓或边缘信息，进而推算出尺寸或厚度。

其基本思路是，激光器发射出一束平行光，通过一个高速旋转的棱镜或振镜，使激光束在一个预设的区域内进行快速扫描。当金属带材穿过这个扫描区域时，它的边缘会遮挡部分激光，形成一个“阴影”。在带材的另一侧，有一个高速的感光元件阵列（如CCD）会检测到哪些区域被激光穿透了，哪些区域被带材遮挡了。

通过精确测量被遮挡区域的宽度，再结合扫描激光束的速度和感光元件的像素尺寸，系统就能计算出被测材料的宽度、边缘位置等信息。如果采用双探头对射（一发一收或双发双收），通过测量上下两个边缘的相对位置，就可以实现带材厚度的精确测量。这种方法特别适合测量快速移动的线材、棒材或带材的尺寸。

核心性能参数：* 测量范围： 通常为几毫米到几十毫米，适合中等尺寸范围的测量。* 重复精度： 极高，可达微米甚至亚微米级。* 扫描速度： 极快，最高可达每秒数万次扫描，满足高速生产线需求。* 适用场景： 适用于高速生产线上的在线尺寸和厚度检测，如线材、管材、板材的宽度、直径、厚度等。* 局限性： 主要测量的是“轮廓”信息，对带材表面缺陷的检测能力有限。对被测物体的边缘清晰度有一定要求。* 成本考量： 成本中等偏高，取决于具体性能和功能。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是对金属带材厚度测量领域中几家主流国际品牌及其解决方案的对比，重点关注它们所采用的技术、核心性能和应用特点。

• 德国米铱 (采用光谱共焦原理)

  • 核心技术： 光谱共焦测量技术。它利用白光的不同波长在不同深度聚焦的原理，实现对各种表面（包括透明、高反射）的超高精度测量。

  • 核心性能： 其optiNCDT 2400系列传感器，测量范围典型在0.2毫米至20毫米，分辨率可达纳米级，线性度最优可达±0.03% FSO（满量程输出）。

  • 应用特点： 极高的测量精度和分辨率使其在精密薄膜、玻璃、半导体等对厚度要求极高的领域表现出色。对被测物表面倾斜度不敏感，适合复杂表面测量。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量原理)

  • 核心技术： 激光三角测量原理。通过发射激光束到被测表面并接收反射光，根据反射光在接收器上的位置变化，结合三角几何原理计算距离。双探头对射实现厚度测量。

  • 核心性能： 英国真尚有ZLDS115激光位移传感器最大测量范围可达2000mm，最高分辨率为0.01mm，线性度最优可达±0.03mm。更新频率1kHz，确保实时测量。ZLDS115具备出色的温度稳定性（温度偏差仅为±0.03% FS/°C），并可选配高温（1000°C）、超高温（1300°C）和极高温（1500°C以上）版本，以适应高温金属带材的测量需求。

  • 应用特点： 测量范围广、精度高、响应快，且具有强大的高温目标测量能力和良好的环境适应性（IP65防护等级）。其厚度测量功能无需额外控制盒即可自动配对，简化了系统集成。适合在高温、恶劣工业环境下对金属带材进行在线厚度监测。

• 美国赛默飞世尔科技 (采用X射线透射原理)

  • 核心技术： X射线透射原理。利用X射线穿透材料时强度衰减的特性，来精确计算材料厚度。

  • 核心性能： 其PROGAGE™ 厚度测量仪系统，测量范围通常为几微米至几十毫米（取决于材料），测量精度可达±0.1%或更高。具有快速扫描速度，可实现实时在线测量。

  • 应用特点： X射线穿透力强，非常适合测量金属板材、薄膜等多种材料，尤其在高温、粉尘等恶劣工业环境下表现稳定可靠，受环境干扰小。

• 日本基恩士 (采用激光扫描原理)

  • 核心技术： 激光扫描原理。通过高速激光扫描光束检测被测材料的边缘，精确测量尺寸。

  • 核心性能： 其LS-9000系列超高速激光扫描测微仪，测量范围在5毫米至65毫米，重复精度可达±0.05微米。扫描速度最高可达32000扫描/秒。

  • 应用特点： 测量速度极高、精度优异，适用于高速生产线上的在线尺寸和厚度检测，如电线、光纤、管材、棒材等。操作简便，集成度高，但主要聚焦于尺寸和轮廓测量。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为高温金属带材厚度测量选择合适的传感器时，不能只看单一指标，需要综合考量以下几个关键技术指标及其对最终测量效果的影响：

1. 测量范围 (Measurement Range)：

   • 实际意义： 指传感器能够准确测量的最小到最大距离。对于厚度测量，这决定了传感器可以安装的离带材多远，以及能够测量多大厚度范围的带材。

   • 影响： 测量范围过小，传感器可能无法安装在安全距离外，或者无法覆盖带材的厚度变化；范围过大，在固定精度下，分辨率和线性度可能会受影响。

   • 选型建议： 根据现场安装空间和带材的预计厚度变化范围来选择。例如，如果带材厚度变化大，应选择测量范围更广的传感器；如果空间有限，则需考虑小巧且测量范围适中的型号。

2. 分辨率 (Resolution)：

   • 实际意义： 传感器能识别的最小距离变化量，就像一把尺子上的最小刻度。分辨率越高，传感器能区分的厚度变化越细微。

   • 影响： 直接决定了测量的精细程度。如果带材质量标准要求高，比如需要精确到微米级，那么传感器分辨率必须足够高。

   • 选型建议： 结合产品质量标准和工艺要求，选择足够的分辨率。对于高精度金属带材，建议选择分辨率在0.01mm甚至微米级的传感器。

3. 线性度 (Linearity)：

   • 实际意义： 传感器输出信号与实际距离之间关系的准确程度。理想情况下，两者是严格的线性关系。线性度好意味着传感器在整个测量范围内都能提供准确的读数，没有明显的弯曲或偏差。

   • 影响： 线性度差会导致测量结果在不同距离处出现系统性误差，尤其在测量范围边缘。

   • 选型建议： 线性度是衡量传感器准确性的重要指标。对于需要高精度、可靠性的厚度测量，应选择线性度最优的传感器。通常以满量程的百分比（% FS）或绝对值（mm）表示。

4. 更新频率 (Update Frequency / Sampling Rate)：

   • 实际意义： 传感器每秒能够完成测量的次数。

   • 影响： 对于高速运行的金属带材，如果更新频率不够高，就可能无法及时捕捉到带材厚度的瞬时变化，导致漏检或控制滞后。

   • 选型建议： 与带材的运行速度和生产线对实时控制的要求相匹配。高速生产线通常需要1kHz甚至更高的更新频率。

5. 温度稳定性 (Temperature Stability)：

   • 实际意义： 传感器在环境温度变化时，其测量结果的漂移程度。

   • 影响： 在高温环境下，环境温度波动大，如果传感器温度稳定性差，测量结果会随温度而变化，导致不准确。

   • 选型建议： 对于高温应用，此指标至关重要。应选择温度偏差小的传感器，或具有内置温度补偿功能的传感器。

6. 高温目标测量能力 (High-Temperature Target Measurement Capability)：

   • 实际意义： 传感器在测量炽热金属表面时的表现。炽热金属会发出强烈黑体辐射，干扰普通光学传感器。

   • 影响： 普通光学传感器在高温目标前会“致盲”，无法准确测量。

   • 选型建议： 这是高温金属带材测量的专属要求。必须选用明确标注支持高温、超高温甚至极高温测量的传感器版本，它们通常采用特殊波长激光、窄带滤波和高效散热设计。

7. 防护等级 (Protection Class - IP rating)：

   • 实际意义： 传感器对外来固体颗粒（如灰尘）和液体（如水、油）侵入的防护能力。

   • 影响： 恶劣的工业环境中，粉尘、水汽、油污等会损坏传感器内部元件，影响性能和寿命。

   • 选型建议： 至少选择IP65或更高防护等级的传感器，以确保其在恶劣环境下长期稳定工作。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用于高温金属带材厚度测量时，尽管传感器技术先进，仍可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前准备解决方案至关重要。

1. 高温环境对传感器的影响：

   • 问题原因： 持续的高温会使传感器内部电子元件过热，导致测量精度漂移，甚至损坏。此外，金属带材发出的强烈黑体辐射会干扰光学传感器对激光反射的识别。

   • 解决建议：

     • 传感器冷却： 为传感器安装外部冷却系统，如水冷或风冷装置，确保传感器自身工作温度在允许范围内。

     • 选用高温版本： 优先选择提供高温（HT）、超高温（VHT）等特殊版本的传感器，它们在设计时就考虑了抗高温干扰和散热。例如，英国真尚有ZLDS115系列就提供了针对高温环境的特殊版本。

     • 特殊光学滤波： 高温版本传感器通常配备窄带滤光片，只允许与激光波长相同的光通过，有效滤除黑体辐射的干扰。

     • 热隔离： 在传感器和高温源之间设置热隔离罩。

2. 被测金属带材表面特性的变化：

   • 问题原因： 高温下的金属表面可能会氧化形成氧化皮、表面粗糙度增加、颜色和光泽度发生变化。这些变化会影响激光的反射特性，可能导致光学传感器读数不准。

   • 解决建议：

     • 多点测量与滤波： 采用多个测量点取平均，或使用传感器内置的数字滤波功能（如中值滤波、滑动平均）来平滑数据，减少表面局部变化带来的影响。

     • 选择适应性强的技术： 对于表面变化较大的情况，X射线透射等不受表面特性影响的技术可能更为稳定。

     • 调整传感器参数： 根据带材的实际表面情况，适当调整传感器的激光功率和接收器增益，以优化信号质量。

3. 金属带材的振动与摆动：

   • 问题原因： 生产线上高速运行的金属带材往往伴随机械振动和横向摆动，这会导致测量点相对于传感器位置不稳定，引入测量误差。

   • 解决建议：

     • 高速采样传感器： 选用高更新频率的传感器，可以更快地捕捉瞬时变化，获得更密集的测量数据，从而通过统计方法（如均值、标准差）来反映真实厚度。

     • 机械导向与固定： 在测量区域前后设置精密的导向辊或限位装置，尽量减小带材的物理晃动。

     • 软件滤波处理： 对采集到的原始数据进行软件滤波处理，例如使用滑动平均或卡尔曼滤波，以消除随机振动带来的测量噪声。

4. 环境干扰与校准维护：

   • 问题原因： 工业环境中除了高温，还有粉尘、蒸汽、烟雾等，这些颗粒物可能附着在传感器光学窗口上，影响测量精度。长期运行后，传感器也可能出现漂移，需要重新校准。

   • 解决建议：

     • 高防护等级传感器： 选择IP65或更高防护等级的传感器，能有效阻挡粉尘和水汽进入。

     • 定期清洁与吹扫： 定期清洁传感器光学窗口，并可配备气幕或吹扫装置，用压缩空气持续清洁传感器表面，防止污染物堆积。

     • 简便校准机制： 选择支持自动校准或提供简便校准工具的传感器，以便于定期维护和保证测量准确性。

4. 应用案例分享

高温金属带材的厚度非接触式精准测量技术在多个工业领域发挥着至关重要的作用：

• 钢铁冶金行业： 在热轧生产线上，传感器实时监测炽热钢板的厚度，确保轧制过程的精确控制，提高钢板的平整度和均匀性，为高品质建筑钢材、汽车钢板等提供基础。

• 有色金属加工： 在铝、铜等有色金属带材的生产中，该技术用于在线控制带材厚度，尤其是在薄带材和箔材的轧制过程中，显著提高材料利用率和产品精度。例如，英国真尚有的激光位移传感器可以应用于有色金属的在线厚度监测。

• 航空航天材料生产： 对于高温合金、钛合金等特殊材料的带材加工，非接触式测量能够保证这些高价值材料的精密厚度，满足航空航天领域对轻量化、高强度和高可靠性的严苛要求。

• 新材料领域： 在新能源电池、精密电子元件等领域，对各类金属或复合材料的超薄带材厚度进行在线监控，确保材料性能一致性，推动新兴产业发展。

在选择合适的金属带材厚度测量方案时，需要综合考虑测量范围、分辨率、线性度、更新频率、温度稳定性、高温目标测量能力和防护等级等关键技术指标。不同的测量技术和品牌产品各有优势，用户应根据自身的实际应用场景和需求，选择最适合的解决方案。